糕点切片机课程设计

15-贵州大学机械工程学院机械原理课程设计糕点切片机设计任务说明书学生姓名班级学号指导教师（签字）起止日期：2012年12月日2013年1月日贵州大学机械工程学院机械原理课程设计任务书题号04糕点切片机设计一、工作原理及工艺动作过程糕点先成型（如长方形、圆柱形等）经切片后再烘干。糕点切片机要求实现两个工艺动作：糕点的直线间歇移动和切刀的往复运动。通过两者的动作配合进行切片。改变直线间歇移动速度或每次间隔的输送距离，以满足糕点的不同切片厚度的需要。二、原始数据和设计要求糕点厚度：10~20mm；糕点切片长度（亦即切片的高）范围：5~80mm；切刀切片时最大作用距离（亦即切片的宽度方向）：300mm；切刀工作节拍：40次/min；生产阻力很小，要求选用的机构简单、轻便、运动灵活可靠；电动机可以选用0.55kW（或0.75kW）、1390r/min。三、设计方案提示切削速度较大时，切片刀口会整齐平滑，因此切刀运动方案的选择很关键，切口机构应力求简单适用、运动灵活和空间尺寸紧凑等。直线间歇运动机构如何满足切片长度变化的要求，是需要认真考虑的。调整机构必须简单可靠，操作方便。是采用调速方案还是采用调距方案，或者采用其它调整方案，均应对方案进行定性的分析比较。间歇运动机构必须与切刀运动机构工作协调，即全部送进运动应在切刀返回过程中完成。需要注意的是，切口有一定的长度（即高度），输送运动必须在切刀完全脱离切口后方能开始进行，但输送机构的返回运动则可与切刀的工作行程运动在时间上有一段重叠，以利提高生产率，在设计机器运动循环图时，就应按上述要求来选取间歇运动机构的设计参数。四、设计任务根据工艺动作顺序和协调要求拟定并绘制运动循环图；进行间歇运动机构和切口机构的选型，实现上述动作要求；机械运动方案的评定和选择；根据选定的原动机和执行机构的运动参数拟定机械传动方案，分配传动比，并在图纸上画出传动方案图；对机械传动系统和执行机构进行运动尺寸计算；画出机械运动简图；对执行机构进行运动分析，画出运动线图，进行运动模拟；编写设计计算说明书。目录TOC\o"1-2"\h\u一、设计任务 -4-设计题目：糕点切片机 -4-工作原理及工艺的动作过程 -4-主要设计要求： -4-二、机械系统运动方案设计的构思 -5-1、实现切刀往复运动的机构 -5-三、机构运动方案的选择和评定 -6-实现糕点间歇运动的机构 -7-四、间歇运动方案选择和评定 -9-五、方案设计的创新改进措施 -9-六、根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图 -10-1、刀具往复运动 -11-七、减速系统设计 -12-(一)皮带传达设计： -12-(二)齿轮系的设计: -13-八、执行系统机构设计 -13-偏心轮机构 -14-棘轮机构 -14-九、传动系统演示 -16-十、方案对照 -17-四杆机构相关尺寸计算 -19-十一、总结 -21-十二、心得体会 -22-十三、参考文献 -24-一、设计任务设计题目：糕点切片机工作原理及工艺的动作过程如结构示意图所示,电动机经皮带和齿轮系减速后，达到40转/分。再用棘轮机构连接一皮带组成糕点的进给机构，并满足间歇运动的要求。同时通过另外一组凸轮机构实现糕点的切片。间歇运动机构与切刀运动机构工作协调。由于每一次切的过程都一样,从而使每一片糕点的大小都一样。而通过改变棘轮转动的角度，可调整切片的厚度。机构给定的原始尺寸糕点厚度：10~20mm；糕点切片长度（亦即切片的高）范围：5~80mm；切刀切片时最大作用距离（亦即切片的宽度方向）：300mm；切刀工作节拍：40次/min；生产阻力很小，要求选用的机构简单、轻便、运动灵活可靠；电动机可以选用0.55kW（或0.75kW）、1390r/min。主要设计要求：确保进给机构与切片机构协调工作，全部送进运动应在切刀返回过程中完成，输送运动必须在切刀完全脱离切口后方能开始进行，即在切的过程中糕点处于静止状态。通过调整棘轮的转动角度（即进给的距离），达到切出不同厚度糕点的需要。二、机械系统运动方案设计的构思1、实现切刀往复运动的机构方案一方案二上图所示，为一偏执曲柄滑块机构，可利用它实现切刀的往复运动。上图所示，为一直动导杆机构，可利用杆3的往复运动来实现切刀的上下往复运动方案三左图所示，为一偏心轮机构，用以实现切刀的往复运动。三、机构运动方案的选择和评定方案一：此机构急回特性。结构简单。具有连杆机构的共同优点，可承受较大的载荷，运动副元素的几何形状简单。改变个机构件的相对长度来使从动件得到预期的运动规律。此机构具有连杆机构的共同缺点，机械效率较低及位置的选定要经过认真的计算，才能保证连杆机构的压力角在一个小角度范围内，这是连杆机构所不能避免的。方案二：运动副均为低副，两运动副元素为面连接，压强较小，可承受较大的载荷，且几何形状简单，便于加工。而且连杆上各点的轨迹是各种不同形状的曲线，且形状随着各构件相对长度的改变而改变，从而可以得到形式众多的连杆曲线，而且可以用这些曲线来满足不同曲线的设计要求。此机构虽有上下往复运动，但它并没有急回运动特性。尽管能够实现切刀的往复运动特性，但也不能够很好的保证机械运动效率。因为方案二依然有方案一的曲柄滑块机构的缺点就是机械运动的效率较低。方案三：是常见的凸轮机构，可以实现切刀的往复运动，而且可以通过添加弹簧的方式实现切刀的上下往复运动，只要适当的设计出凸轮的轮廓曲线，就可以使推杆得到各种预期的运动规律，而且机构简单紧凑，可承重较大，运动平稳。但是凸轮廓线与推杆之间为点、线接触，易磨损。切刀的急回特性，可通过是否偏心以及凸轮形状来实现，可是这样的确定增加计算的难度，且在画图制造等时会增加凸轮轮廓的制造难度，加工效率低，增加了加工与设计的时间。实现糕点间歇运动的机构方案一：如上图所示，为一牛头刨床机构，杆件1绕着B点运动，带动滑块2匀速圆周运动，滑块2又带动导杆3作往复运动，导杆3的往复运动通过滑块6带动滑枕4的往复运动。从而实现直线间隙移动的机构。方案二：如上图所示，为一直齿式棘轮棘爪机构，利用棘爪的摆动推动棘轮的转动，然后棘爪的回来初始位置过程中棘轮的不动，如此的棘爪往复摆动来实现糕点的直线间歇运动。方案三：上图是一个槽轮机构，它是通过将主动件转臀的连续转动转换成从动件的带有停歇的单向周期性转动，借此可以通过实现糕点的间歇送料过程。四、间歇运动方案选择和评定方案一：优点：此机构具有急回运动的特性。且机构也是连杆机构，具有连杆机构的共同优点。缺点：此机构没有间歇特性，而且糕点的送料最好的还是采用皮带的传动，而且此机构同样具有连杆机构的效率低的特点，不能很好的完成直线间歇运动且糕点的送料。方案二：优点：依靠棘齿传动，运动可靠，制造方便，棘轮转角可实现有级调节。并且在棘轮外面罩上一个光滑的外壳和曲柄摇杆配合既可以实现糕点机构的可调性往复间歇性运动，且具有调节精确和结构简单，易设计的特点。缺点：由于棘轮很少接触，对于他的人是很少，棘轮棘齿的厚度是需要注意的，如果太薄就会使强度降低，所以棘轮棘齿的齿高和齿矩的确定要综合多反面考虑使其满足要求。方案三：槽轮机构可将主动拨盘的连续转动变换为槽轮的间歇转动。并具有结构简单、尺寸小、机械效率高、能较平稳地间歇转位等特点。但是每次间歇的时间长度一定，很难满足本系统中改变所切糕片长度的功能，且槽间的厚度要合理的设计，才能保证机构的顺利进行。五、方案设计的创新改进措施1.我们开始构思方案时,考虑到在以后的生活和生产中,自动化是必然的趋势，因此设计的机构要尽量满足自动化的要求。此机构的运作是切糕点与送糕点,切的时候糕点不能动,没有切的时候,糕点要运动并前进一定的距离到达指定位置。为了实现切的动作，我们开始用凸轮机构，实现切刀的往复运动，用凸轮可以很好的控制切刀的运动，但是凸轮的形状不易设计，制造困难，于是我们想到用偏心圆代替凸轮实现切刀的往复运动。2.对于蛋糕的传送,既要满足间歇运动的要求,又能通过改变进给距离而切出不同厚度的糕点。我们刚开始试用了凸轮机构,但我们的糕点切片机要求可以改变所切糕点长度的,如用凸轮机构的话,很难实现改变切片的厚度，我们想到用齿轮组减速器改变速度来实现。用许多齿轮来改变速度很复杂且不太方便操作,于是我们否定了这个方案。经过查资料后，我们选择了棘轮机构。用棘轮机构可以方便的实现改变切片的长度。且棘轮机构设计加工简单，改变切片的厚度时操作方便，所以机构的总体方案就这么大概的定下来了。六、根据工艺动作和协调要求拟定运动循环图运动循环图上图是糕点切片机的实现的糕点切片过程的两个配合过程，一是糕点的送料过程，而是切刀的往复运动实现切的过程。1、刀具往复运动根据设计说明书的要求，切刀每分钟得完成切割40次的工作节。所以连接曲柄的齿轮的转速为40r/min，切刀做竖直面内的往复直线运动，当其往下运动到与最低点相距约5mm至80mm（这是糕点的厚度）时开始切割糕点，此时糕点静止不动，切割完毕切刀往上运动到距离最低点约80mm时糕点运动起来，把切好的糕点片带走并把糕点送进待切糕点，切刀继续往上运动，直到最高点，之后再往下运动，直到最低点相距约5mm至80mm（这是糕点的厚度）时又开始切割糕点，此时糕点又静止。如此往复循环。下图是刀具的位移运动图（一个周期）：七、减速系统设计本机构原动件为一高速电机,其转速为1390r/min,但我们所需要的转速是40r/min,所以要设置减速机构来实现降速，而且通过要求我们选择了三级减速。对于减速装置我们采用皮带加齿轮的方法。第一级降速是用皮带减速,减为240r/min。第二级是用齿轮减为120r/min，第三极就减为要求的40r/min。每个传动机构设计分析如下:(一)皮带传达设计：皮带传动设计主要是采用两个半径不相同的皮带轮实现。由于皮带上线速度相等，由r1*v1=r2*v2，1390*r1=240*r2；r1/r2=24/139.由此可见算出电机上皮带轮直径大小r1=36mm；另一端皮带轮半径大小r2=220mm。传动比i=139/24.(二)齿轮系的设计:经皮带减速后的转速为240r/min,而我们所要的转速40r/min。因此还需要的传动比为6/1,选用的齿轮为标准齿轮。直齿轮参数表名称齿数模数分度圆齿轮z1254mm100mm齿轮z2504mm200mm齿轮z2'254mm100mm齿轮z3754mm300mm传动比i=6/1。八、执行系统机构设计执行机构分两个,第一个为偏心轮机构,第二个为棘轮机构,现分别介绍如下:偏心轮机构此机构主要是执行切刀的上下往复运动。由于所切糕点的厚度最大为20mm,所以切刀在20mm之上运动时,糕点才能运动。为了给糕点足够的传送时间,设计刀的行程为80mm，高80mm，宽300mm，偏心圆半径为55mm，作为局部自由度的滚子半径20mm，弹簧长100mm。所以偏心轮机构的尺寸为:偏心轮半径55mm滚子半径20mm刀片高80mm弹簧长100mm棘轮机构棘轮机构主要是执行糕点的进给运动,每一次的运动距离就是所切糕点的长度。由设计要求糕点的厚度范围为：10-20mm，由于加工两块厚度只差1mm的糕点无现实意义，故我们设计时取糕点间距为2mm，即加工厚度为：10mm、12mm、14mm、16mm、18mm和20mm的糕点。设计时，我们取棘轮有60个齿，模数为2，所以当棘爪拨动一个齿所占据的角度使棘轮转动时，棘轮转动的幅度。此时传输糕点的皮带轮转过同样的角度，皮带移动距离为（r为传输糕点的皮带轮的半径）。为了使设计简单，取r=19。这时，棘爪一次每多转一个角度，糕点间歇移动的距离增加2mm（）。设计棘轮时应考虑到齿面倾斜角的要求如下：由于糕点的最大厚度为20mm，所以棘爪与齿接触时转过的最大角度为60度，即棘轮外罩要去除60的弧。糕点厚度与棘轮外罩位置的关系如表5——1所示：外罩对应的刻度012345棘爪与齿接触时转过的角度303642485460糕点厚度/mm101214161820表5——1糕点厚度与棘轮外罩对应位置的关系这样棘轮机构就设计完了。其尺寸为:曲柄摇杆机构:棘轮半径60mm;棘轮齿数60个;皮带轮直径19mm;皮带长1.25m.整个机器的关键就在于切刀运动与糕点传送运动之间的协调。推动棘轮的曲柄摇杆机构的行程速比系数为：k=1；又工作周期为秒，则摇杆推程时间为：秒，回程时间为：秒。因此，切刀在秒的时间内不能接触糕点（最大厚度为20mm）,而在秒的时间里切刀应完成切糕点的动作并离开糕点表面。棘轮传动九、传动系统演示棘轮传动齿轮减速传动皮带轮刀具传送履带偏心轮传动齿轮减速传动皮带轮刀具传送履带偏心轮传动电动机电动机十、方案对照以下的图形是我们最初的设想，是通过我们再考虑到各个方面后得出的，我们考虑了机构的位置，彼此之间的相互配合等，得出这种关系。其中最初的位置等都是我们所不知道的，所以这个图是我们拿来做最初的方案分析，一边可以得出最优的机构模型，我们在设计的时候最初考虑到六连杆机构来与棘轮的配合，可是由于六杆机构的确定以及我们的需要，所以改成了四杆机构来与棘轮配合，实现棘轮的间歇转动，这就是在满足运动需求的情况下我们使机构趋于简化，也更方便我们的计算；除此之外我们在考虑减速器时也查阅了资料使用了三级减速，在各机构间的相对位置时考虑到了占据空间等，我们得出了以下的这个三维视图：该方案为初步确定的方案，但是不是最优方案还有待我们去思考，在考虑实现运动的同时，大家还考虑了是否便于安装，计算等，然后就开始对每个机构的位置等开始最优化的讨论：首先，从四杆机构入手，这个四杆机构看上去是没有问题，而且对于运动的驱动与没有问题。但由于四杆机构中存在一定的极位夹角，而且如果我们在设计杆长时稍有偏差将导致切刀的往复运动和棘轮的间歇运动不能更好地配合，于是经过设计优化考虑到了极为夹角，压力角，传动角等，我们就想着将这四杆机构的摆杆的摆角的连线放置在同一水平面上，这样不仅有利于我们的计算，而且合理计算杆长，就可以使极为夹角满足要求，压力角的小，传动角可以在大于45度范围内变动，于是选择了我们最优的四杆机构的位置是使连杆的运动是平动且平行于水平面的。其次，就是棘轮与棘罩的配合角度，这里选了60度，在合适的范围内，所以对于棘轮机构的优化我们就以最初的为准，还由于糕点的硬度低，对棘齿的齿厚的要求就不那么高了，所以我们选用方案这里没有改动。接下来就是实现切刀往复的凸轮了，考虑到了糕点的高度和切刀的高度，我们一致选择最大的尺寸来考虑，而且对于凸轮的安装位置及形状等的考虑，上图的凸轮机构我们也进行了改进，当然考虑到要有急回特性是可行的，但是糕点的硬度很低，所以我们忽略了凸轮的急回特性，又加入了凸轮形状的考虑，所以我们就选定了对心的偏心圆来实现与凸轮相同的切刀往复运动。这样一来不仅方便我们的计算，还减少数据的不精确性，所以这得到我们觉得最优的切刀往复运动机构。最后就是减速器，查资料可知，减速器最多是三级，由于电动机转速很大，而我们需要的最终转速是40r/min，最先我们想到的是用齿轮来实现减速，但是考虑到实际生产尺寸的问题要用齿轮来实现减速的话齿轮半径就会很大，这就不满足要求生产成本低条件，经过我们队的几次讨论后选择了第一级用皮带来实现减速。第二级减速与第三级减速所需要的空间不是很大，又满足齿轮的一般设计要求，于是我们就选择用齿轮来实现其减速的目的，即是我们的最终方案。修正方案：经过优化后的方案当棘轮摆杆在左右极位时连杆与水平面相平行，这样解决了上述方案的缺点，同时也简化了机构。如下图所示：四杆机构相关尺寸计算如下图所示四杆机构：由于我们确定糕点高为80mm，切刀上下往复运动时的运动距离最少也是80mm，又偏心轮是推动切刀的往复运动的主动件，其偏心距不能小于40mm在满足尺寸条件下我们设定偏心轮半径是55mm。进一步得到作为局部自由度的滚子半径，在不会出现卡死现象条件下取其半径小于偏心轮，我们设定的滚子半径为11mm。由以上尺寸及考虑到安装时有一定间歇，我们就假定了偏心轮旋转中心道上传送带距离是255mm。又知道我们方案中选定的带动皮带轮的圆半径是19mm得出EA垂直距离为274mm。我们选用皮带轮长为1.25m，我们又假定了EA水平距离为320mm，于是EA即是刀架距离就可以算出即：EA=（mm）又由于摇杆AB的摆角是60度知AB=274/cos=316(mm)又因为我们设连杆BC长是300mm，由四杆机构曲柄摇杆存在条知EC只需满足最长+最短≦其余两杆之和即EC+EA≦BC+ABEC≦(BC+AB-AE)=195mm因为EC是一根杆，不可能小于零，所以EC可在0~195mm内取合适值。十一、总结经过学习，以及对课程设计过程的考虑之后，虽然这个方案的确定之后，究竟是不是最优方案，还是个未知数，也许在我们的能力范围内这是个最优化的了，总结这十天左右的课程设计过程，有收获也有些许的感慨，从上培训课的时候的一无所知，无所适从到各种资料的查找与到机构的一步步完善，这两个星期见证了我们队的汗水与成长。最初当我们拿到任务书开始，一头的雾水，后来大家在经过一番的功夫和辛苦的讨论过后，当我们打开各自的最初的想法之后，相互之间讨论着不足，讨论着怎样最好，通过我们大家相互之间任务的分配过后。任务安排下来，大家议论纷纷，一开始大家都拿不出一个好的方案。方案不是太过于复杂，或是以我们现有的水平做出来就是太过于简单，不能很好的满足给定的条件。到此时，我们才发现，生活中一些我们看起来很简单的产品，设计起来都是那么的复杂与困难。要考虑产品使用时候的各种参数，产品的实用性，产品的便携性，产品的美观，产品的稳定性等。我们经过查阅各种资料以及综合考虑了各种因素，最后从几个方案中选定了我们的最终方案，它是以偏心轮机构实现刀具的往复运动和以棘轮机构实现糕点间歇运动的并且满足给定条件的一个糕点切片机。糕点切片机是两个机构（往复运动与间歇运动）的配合，增加了我们实际开发中对于既定方案如何选择机构，以及机构间的配合的能力。接到课题后，我们规定好时间，分配好各个阶段的任务，一步一步的确定产品中各个机构的各种实际参数，由给定电机的功率，得出转速的确定，及减速机构的选择，齿轮的参数的确定，两种主运动机构方案的筛选与他们运动特性的参数的计算，这都是我们队一起讨论得出的也是我们五人成长的过程。最后，三维零件的建模，零件的装配到动画，看着自己的想法跃然出现在自己眼前，一种欣慰感油然而生。在得到这个最后的方案后，自己真的很满足了，可是我不会很开心，因为通过老师的讲解以及一些增加的实际考虑，我们还是存在很多没有改变的不足之处，齿轮的过大，且皮带轮的传递两皮带轮的半径差距有些大，这些是我们的知识没有意识到的，当然这验证了我们方案还没有最优化，只是个自己认为最好的方案，由于时间问题，和大家的知识局限，还是有很多的问题需要改进，毕竟只是刚起步吧。后来在的学习过程中有很多值得我们去考虑，多方面的问题需要我们去思索，再后来还有有很多的改进，对于材料的选择，问题等，都是我们需要加强的，和需要去多考虑考虑的。真的是很值得我们去认识的。虽然没有达到最优，但是这次课程设计，我们主要收获了：增加了查阅资料的能力。上网，图书馆，课本，甚至一些学长还有指导教师都是我们获得信息的源泉，通过这次课程设计，我们查阅资料的能力大大增加了，遇到了问题的时候，我们懂得了从哪儿获得的相关的解决方案。增加对课本的理解。这次课程设计，从方案的选择到确定与计算过程中，我们翻了很多遍书，将其运用到了实际开发中，加深了课本知识的理解。增加了对本专业的兴趣。看到自己能亲自动手解决自己身边的一些小问题的时候，对本专业的知识的应用也有了实际体会，大大培养了对机械专业的兴趣。兴趣是最好的老师，也为我们学好专业知识加大了动力。我们体会到了我们有太多太多的不懂，有很多的东西要学，大学时间很是宝贵，时间不等人，一晃就快过去三年啦，想想自己什么都没学到。通过这次课程设计让我们重新认识了自己，认识到自己的不足，我们相信在今后的学习中这次课程设计对我们有很大的帮助。十二、心得体会眼看着两周的课程设计就要结束了，回顾两周之内我们的努力，各自所付出的劳动，有晚上加班加点，课堂的激烈讨论，各抒己见，力图能将自己知道的相关知识都可以用到，甚至可以用来改变还未成形的糕点切片机，这样的过程真的使我们获益匪浅。第一天，也就是课程设计开始的第一天，我们先是对所要用到的两个主要过程展开了激烈的讨论，大家拿出自己认为是最好的且可以实现要求运动的方案，而后就是汇总，通过对相互之间方案的认同及否定过程中，不但丰富自己的知识面，还很好的进行了知识的交流，正所谓三人行必有我师，这句话通过我们对相互之间方案的讨论过程体现得淋漓尽致，真是八仙过海各显神通，在大家通过了这样的讨论过后，最初确定了我们小组的方案，这只是最初的，不是最优的，我们还要经过接下来几天的研究，以及最优化处理，这样才会有更好的方案出来，在初步确定了过后，大家就开始进行了确定了我们的进度，制定出方案计划，以及我们的工作过程，所以务必使我们可以按照这个方案进行下去，画出了运动循环图和功能转换图后，在确定了这一系列的配合之后就开始了数据